量子計算機原理與

1、量子計算機原理與進展量子計算機處理器量子計算機處理器簡簡 介介 量子計算機，早先由理查德費曼提出，一開始是從物理現(xiàn)象的模擬而來的?？伤l(fā)現(xiàn)當(dāng)模擬量子現(xiàn)象時，因為龐大的希爾伯特空間使資料量也變得龐大，一個完好的模擬所需的運算時間變得相當(dāng)可觀，甚至是不切實際的天文數(shù)字。理查德費曼當(dāng)時就想到，如果用量子系統(tǒng)構(gòu)成的計算機來模擬量子現(xiàn)象，則運算時間可大幅度減少。量子計算機的概念從此誕生。 量子計算機，在上世紀80年代處于理論狀態(tài)。1994年彼得秀爾（Peter Shor）提出量子質(zhì)因子分解算法后，因其對于通行于銀行及網(wǎng)絡(luò)等處的RSA加密算法可以破解而構(gòu)成威脅之后，量子計算機變成了熱門的話題。 半導(dǎo)體靠控

2、制集成電路來記錄和運算信息，量子電腦則希望控制原子或小分子的狀態(tài)，記錄和運算信息。圖2 布洛赫球面 簡簡 介介量子計算機工作原理 量子計算機的輸入用一個具有有限能級的量子系統(tǒng)來描述，如二能級系統(tǒng)（稱為量子比特（qubits），量子計算機的變換（即量子計算）包括所有可能的玄正變換。 2量子計算機中的變換為所有可能的么正變換。得出輸出態(tài)之后，量子計算機對輸出態(tài)進行一定的測量，給出計算結(jié)果。量子計算機工作原理 幾種量子編碼方案是：量子糾錯碼、量子避錯碼和量子防錯碼。量子糾錯碼是經(jīng)典糾錯碼的類比，是目前研究的最多的一類編碼，其優(yōu)點為適用范圍廣，缺點是效率不高。從數(shù)學(xué)抽象上看，量子計算機執(zhí)行以集合為基本

3、運算單元的計算，以函數(shù)y=f(x),xA為例。量子計算的輸入?yún)?shù)是定義域A，一步到位得到輸出值域B，即B=f(A)；量子計算機有一個待解決的問題，即輸出值域B只能隨機取出一個有效值y。量子計算機工作原理 在實驗上實現(xiàn)對微觀量子態(tài)的操縱確實太困難了。目前已經(jīng)提出的方案主要利用了原子和光腔相互作用、冷阱束縛離子、電子或核自旋共振、量子點操縱、超導(dǎo)量子干涉等。 現(xiàn)在還很難說哪一種方案更有前景，只是量子點方案和超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)方案更適合集成化和小型化。 量子計算機工作原理量子計算機功能量子計算機功能 量子計算機可以進行大數(shù)的因式分解，和Grover搜索破譯密碼，但是同時也提供了另一種保密通訊的方式。 在

4、利用EPR對進行量子通訊的實驗中發(fā)現(xiàn)，只有擁有EPR對的雙方才可能完成量子信息的傳遞，任何第三方的竊聽者都不能獲得完全的量子信息，正所謂解鈴還需系鈴人，這樣實現(xiàn)的量子通訊才是真正不會被破解的保密通訊。 量子計算機還可以用來做量子系統(tǒng)的模擬，人們一旦有了量子模擬計算機，就無需求解薛定愕方程或者采用蒙特卡羅方法在經(jīng)典計算機上做數(shù)值計算，便可精確地研究量子體系的特征。發(fā)展趨勢發(fā)展趨勢 用原子實現(xiàn)的量子計算機只有5個q-bit，放在一個試管中而且配備有龐大的外圍設(shè)備，只能做1+1=2的簡單運算，Bennett教授說，“現(xiàn)在的量子計算機只是一個玩具，真正做到有實用價值的也許是5年，10年，甚至是50年以

5、后”。 我國量子信息專家中國科技大學(xué)的郭光燦教授則宣稱，他領(lǐng)導(dǎo)的實驗室將在5年之內(nèi)研制出實用化的量子密碼，來服務(wù)于社會！量子計算機的量子計算機的發(fā)展過程發(fā)展過程 美國的洛斯阿拉莫斯和麻省理工學(xué)院、IBM、和斯坦福大學(xué)、武漢物理所、清華大學(xué)四個研究機構(gòu)已實現(xiàn)7個量子比特量子算法演示。 2007年2月，加拿大D-Wave系統(tǒng)公司宣布研制成功16位量子比特的超導(dǎo)量子計算機，這個工作的意義非常重大，或許，可實際應(yīng)用的量子計算機會在幾年內(nèi)出現(xiàn)，量子計算機的時代真的要開始了！ 2010年3月31日，德國于利希研究中心發(fā)表公報：德國超級計算機成功模擬42位量子計算機，該中心的超級計算機JUGENE成功模擬了

6、42位的量子計算機，在此基礎(chǔ)上研究人員首次能夠仔細地研究高位數(shù)量子計算機系統(tǒng)的特性。 首臺量子計算機首臺量子計算機 2007年初，加拿大公司D-Wave Systems今天揭開了“全球第一臺商用實用型量子計算機”的神秘面紗，展示了這臺新型計算機“Orion”如何運行商用程序。量子計算機的發(fā)展過程量子計算機的發(fā)展過程 在美國加州山景城的計算機歷史博物館里演示，量子計算機本身在D-Wave公司總部，加拿大溫哥華本那比。在那里，量子計算機被液氮冷凍在5mK(毫開)溫度下，也就是-273.145，只比絕對溫度-273.15高0.005，比星際空間還要冷。量子計算機的發(fā)展過程量子計算機的發(fā)展過程 201

7、1年，年，D-Wave卷土重來發(fā)布了全新產(chǎn)品卷土重來發(fā)布了全新產(chǎn)品D-Wave One，這一次它的處理器達到了，這一次它的處理器達到了128量量子比特，比前代產(chǎn)品大大提升，一臺售價高達子比特，比前代產(chǎn)品大大提升，一臺售價高達1000萬美元。萬美元。美國知名的軍備制造商洛克希美國知名的軍備制造商洛克希德德馬丁已經(jīng)購買了一臺馬丁已經(jīng)購買了一臺D-Wave One并將其用在一些復(fù)并將其用在一些復(fù)雜的項目上，比如雜的項目上，比如F-35戰(zhàn)斗機戰(zhàn)斗機軟件錯誤的自動檢測軟件錯誤的自動檢測量子計算機的發(fā)展過程量子計算機的發(fā)展過程 2012年，法國物理學(xué)家塞爾日年，法國物理學(xué)家塞爾日阿羅什，美國物理阿羅什，美

8、國物理學(xué)家戴維學(xué)家戴維維因蘭被授予諾貝爾物理獎，提出了突維因蘭被授予諾貝爾物理獎，提出了突破性的實驗方法，使測量和操控單個量子體系成破性的實驗方法，使測量和操控單個量子體系成為可能。為可能。D-Wave CEO Vern Brownell D-Wave的創(chuàng)始人羅斯的創(chuàng)始人羅斯量子計算機的發(fā)展過程量子計算機的發(fā)展過程量子計算機的發(fā)展過程量子計算機的發(fā)展過程 2012年年10月，月，D-Wave公司獲得了來自亞馬遜創(chuàng)始公司獲得了來自亞馬遜創(chuàng)始人及人及CEO貝索斯以及美國中情局下屬投資機構(gòu)總貝索斯以及美國中情局下屬投資機構(gòu)總計計3000萬美元的投資。萬美元的投資。2013年初，年初，D-Wave T

9、wo 量子計算機面世，其處理器量子計算機面世，其處理器達到了達到了 512 量子位，是目前商用市場上最強大的量子量子位，是目前商用市場上最強大的量子計算機。其售價也隨計算能力飆升，達到計算機。其售價也隨計算能力飆升，達到1500 萬美萬美元元獲得了谷歌的訂單。獲得了谷歌的訂單。量子計算機的發(fā)展過程量子計算機的發(fā)展過程 2009年11月15日，世界首臺可編程的通用量子計算機正式在美國誕生， 據(jù)美國新科學(xué)家網(wǎng)站報道，世界上首臺可編程的通用量子計算機近日在美國面世。 這臺可編程量子計算機的核心部件是一個標有金黃圖案的鋁晶片，其中包含了一個直徑大約200微米的微型電磁圈。在這個電磁圈中，科學(xué)家放置了四個離子，其中兩個是鎂離子，兩個是鈹離子。 量子計算機的發(fā)展過程量子計算機的發(fā)展過程 在2007年，加拿大計算機公司D-Wave展示了全球首臺量子計算機“Orion（獵戶座）”。雖然當(dāng)時只是一臺能通過量子力學(xué)解決部分問題的原型機，不過也讓我們看見了量子計算機的曙光。 量子計算機的發(fā)展過程量子計算機的發(fā)展過程 2011年進程年進程 2011年5月，D-Wave自豪地宣布，全球首臺真正的商用量子計算機D-Wave One終于誕生了！其采用了128-qubit（量子比特）